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Webcams und verwandte Aufnahmesysteme

Inhalt
1. Warum werden Webcams verwendet? 6. Erstellung von Fotos aus einer Videosequenz
2. Anforderungen an eine Webcam 7. Reduzierung des Bildrauschens
3. Aufnahmetechniken 8. Deep-Sky-Fotografie mit Webcams
4. Fokussierung 9. Erstellung von Bildmosaiken
5. Aufnahme einer Videosequenz 10. Bildverarbeitung

Dieser Artikel behandelt die Anwendung von Webcams und die mit ihnen verwandten Kamerasysteme, zum Beispiel spezielle Mond- und Planetenkameras diverser Zubehör-Hersteller, aber auch Überwachungskameras, die auf der Webcam-Technik basieren. Er bietet nur eine Einführung in das Thema Videoastronomie. Weiterführende, ausführliche Websites zu diesem Thema finden Sie im Linkverzeichnis.

Webcams gelten als die "Adaptive Optik" der Amateurastronomie. Natürlich wird hierbei nicht wie bei Großtekleskopen die Form des Hauptspiegels den momentanen Luftturbulenzen angepasst. Dieses Synonym soll ausdrücken, dass mit Hilfe der Videotechnik die Luftunruhe weitestgehend umgangen werden kann. Dies geschieht durch die Aufnahme einer Videosequenz aus einer großen Anzahl von Einzelbildern. Einige sind immer von nahezu perfekter Qualität, die dann aufaddiert und zu einem Summenbild gemittelt werden. Mit dieser Technik kann man mit Amateurteleskopen Ergebnisse erzielen, die noch vor 20 Jahren Großobservatorien vorbehalten waren.

Webcams werden angewendet, wenn es um die Fotografie feinster Strukturen auf Sonne, Mond und Planeten ankommt. Sie ermöglichen eine Auflösung, wie sie ansonsten nur von extrem teuren CCD-Kameras erreicht wird. Webcams haben wie CCD-Kameras einen CCD-Sensor, der jedoch nicht gekühlt wird.

Warum werden Webcams verwendet?

Bei der herkömmlichen Fotografie wird jeweils nur ein Bild aufgenommen. Auch wenn man in einem Leitfernrohr einen ruhigen Moment abwartet, weiss man nicht, wie sich das Seeing im Moment der Aufnahme verhält (die verwendeten Belichtungszeiten sind zu lang, um die Seeingunschärfen zu unterdrücken). Da die Luftunruhe (Seeing) ein ständiges Wabern des Bildes verursacht, ist die Qualität eines Einzelbildes also auch immer ein wenig vom Glück abhängig. Webcams hingegen sind Videokameras und nehmen einen Film des beobachteten Objektes auf. Dieser besteht je nach Länge der Aufnahmesequenz aus mehreren hundert oder gar tausenden von Einzelbidern. Schaut man sich dieses Video auf dem Monitor an, erkennt man sehr gut die Luftturbulenzen. Auch wenn die Belichtungszeit kurz genug ist, um Seeingunschärfen zu unterdrücken, sind die Einzelbilder durch die Luftunruhe unterschiedlich scharf, abhängig von der Stärke des Seeings.

Aus diesem Film kann man dann per Software die besten Bilder aussuchen und zu einem Bild aufaddieren lassen. Bei hunderten oder tausenden von Einzelbildern ("Frames"), aus denen eine solche Videosequenz besteht, sind praktisch immer Frames enthalten, die dem Optimum sehr nahe kommen oder es gar erreichen.

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Anforderungen an eine astrotaugliche Webcam

Es eignet sich nicht jede Webcam gleichermaßen für die Astrofotografie. Eine Astro-Webcam sollte folgende Eigenschaften aufweisen:

  • Abnehmbares Objektiv

    Für die Astrofotografie mit Webcams ist das eine Grundvoraussetzung. Man kann zwar grundsätzlich die Webcam an ein Okular halten bzw. dort befestigen und das vom Okular in die Webcam projizierte Bild abfilmen. Die Objektive von Webcams haben allerdings in der Regel eine sehr einfache Qualität, so dass mit dieser Methode erhebliche Einbußen in der Bildqualität zu erwarten sind.

    Einige hochwertige Modelle ermölichen es, das Objektiv abzuschrauben. An seiner Stelle kann dann eine Steckhülse für den Okularauszug gesetzt werden. Diese kann im Eigenbau herstellt werden. Einige Hersteller von astronomischem Zubehör bieten für gängige Webcams solche Adapter an. Achtung: Das Angebot an Webcams unterliegt einem ständigen Wandel, und das betreffende Zubehör erscheint oft erst nach der Webcam im Handel. Bevor Sie sich zum Kauf einer Webcam entscheiden, sollten Sie sich bei den Zubehörherstellern erkundigen, ob es entsprechende Adapter für Ihr Wunschmodell gibt.

  • Das folgende Foto zeigt eine Webcam mit abgeschraubtem Objektiv und Fokaladapter.

    Webcam

    Foto mit freundlicher Genehmigung von Arnold Barmettler (www.calsky.de)

  • Sensorgröße

    Die Größe der Sensoren ist von Kamera zu Kamera verschieden. Eine Astro-Webcam sollte einen Sensor mit 640*480 Bildpunkten aufweisen. Dieser Sensor ist zwar verglichen mit denen einer digitalen Spiegelreflexkamera winzig klein, ermöglicht dafür aber auch bereits bei relativ kurzen Brennweiten Detailaufnahmen von Planeten und Monddetails. Setzt man sie zu einem Gesamtbild als Mosaik zusammen, wird die Auflösung und Schärfe von Spiegelreflexkameras weit übertroffen.

  • Rauschverhalten

    Die CCD-Sensoren von Webcams werden nicht gekühlt und zeigen bei lichtschwachen Motiven ein starkes Hintergrundrauschen, das von Sensor zu Sensor unterschiedlich stark ausfällt. Das Rauschverhalten kann aus Erfahrungsberichten entnommen werden. Weiter unten wird gezeigt, wie man das Rauschen minimieren kann.

  • Belichtungszeiten

    Bei Webcams lassen sich in gewissen Grenzen die Belichtungszeiten mit der Steuerungssoftware verstellen. Das ist schon deswegen erforderlich, da Webcams ursprünglich für den Gebrauch zum Video-Chat konzipiert sind und die Belichtungszeit der Helligkeit im Zimmer angepasst werden muss.

    In diesem Punkt eignen sich alle Webcams für Mond- und Planetenaufnahmen (von Langen Effektivbrennweiten in der Projektionsfotografie einmal abgesehen). Im Deep-Sky-Bereich können jedoch Probleme auftreten, da hier zahlreiche Aufnahmen mit Belichtungszeiten im Sekundenbereich aufaddiert und gemittelt werden müssen. Diese Option, im Sekundenbereich zu belichten, bieten nur wenige Modelle.

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Astrofotografie mit Webcams

Aufnahmetechniken

Im oben bereits erläuterten einfachsten Fall wird die Webcam mit Objektiv ans Okular des Teleskops gehalten bzw. dort mit einer Halterung befestigt und das vom Okular auf den Sensor projizierte Bild abgefilmt. Diese Methode wird afokale Fotografie genannt und ist von der Astrofotografie mit Digicams bekannt. Die Objektive von Webcams haben allerdings in der Regel eine sehr einfache Qualität, so dass mit dieser Methode erhebliche Einbußen in der Bildqualität zu erwarten sind.

Für gängige astrotaugliche Webcams mit abnehmbarem Objektiv bieten einige Zubehör-Hersteller Adapter an, die anstelle des Objektivs an die Webcam geschraubt und mit einer Steckhülse anstelle des Okulars in den Okularauszug des Teleskops gesetzt werden. In diesem Modus wird das Bild im Primärfokus des Teleskops aufgenommen (Fokalfotografie). Aufgrund der kleinen Abmessungen des Sensors erhält man beireits bei Fokalaufnahmen mit langbrennweitigen Teleskopen Abbildungsmaßstäbe, die bei der Verwendung von (digitalen) Spiegelreflexkameras nur mit der Okularprojektion realisiert werden können.

Das folgende Foto zeigt eine Webcam bei der Fokalfotografie.

Webcam bei der Fokalfotografie

Foto mit freundlicher Genehmigung von Arnold Barmettler (www.calsky.de)

Für einige Detailaufnahmen von Sonne und Mond ist je nach Teleskopbrennweite die Vergrößerung im Primärfokus ausreichend. Möchte man kleinere Mondformationen oder Planeten im Detail ablichten, muss die Brennweite mit Hilfe der Okularprojektion verlängert werden: Bei der Webcamfotografie wird die Brennweite meistens mit Hilfe einer Barlow-Linse verlängert. Es gibt Barlow-Linsen mit den Verlängerungsfaktoren zwei, drei und vier.

Die erforderliche Brennweite bei Mondaufnahmen hängt von der Grösse der zu fotografierenden Formation ab. Bei der Planetenfotografie gilt eine Brennweite von acht Metern als ideal. Okulare werden hierbei nur selten zur Verlängerung der Brennweite angewendet.

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Fokussierung

Während der Aufnahme einer Videosequenz sieht man das von der Webcam aufgenommene Bild live auf dem PC-Monitor. Die Fokussierung ist daher bei Sonne, Mond und Planeten denkbar einfach: Man beobachtet das Monitorbild und stellt am Okularauszug scharf. Bei Sonne und Mond ist die Fokussierung am Mondrand am einfachsten. Hierbei benötigt man jedoch Fingerspitzengefühl und eine ruhige Hand, da sich durch die hohen Vergrößerungen am Monitor, die durch das kleine Gesichtsfeld des Sensors entstehen, selbst kleinste Erschütterungen durch sehr starkes Zittern bemerkbar machen.

Deep-Sky-Objekte sind nicht ganz so einfach zu fokussieren, da sie mitunter undeutlich auf dem Monitor zu erkennen sind. Man kann an einem in der Nähe befindlichen hellen Stern oder Planeten fokussieren und dann auf das gewünschte Objekt zurückschwenken.

Eine präzise Fokussierung ist mit der Scheinerblende möglich, die ich hier in einem separaten Artikel ausführlich beschreibe.

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Aufnahme einer Videosequenz

Nach dem Aufbau der Geräte wird die Webcam per USB an den PC angeschlossen und aktiviert. Nun sieht man das Bild, das der Sensor aufnimmt, auf dem Monitor. Jetzt kann das Live-Bild fokussiert werden.

Nach der Fokussierung wird mit Hilfe der Steuerungssoftware die Belichtungszeit eingestellt. Anhand des Live-Videos erkennt man die Auswirkungen der veränderten Belichtungszeit sofort. Nach der Vorgabe, wie viele Frames pro Sekunde und wie lange die Videosequenz aufgenommen werden soll, kann die Aufnahme gestartet werden.

Eine exakte Nachführung ist nicht notwendig, da die Aufnahmen von der Verarbeitungssoftware, wie wir später noch sehen werden, automatisch pixelgenau überlagert werden. Mit der Webcam-Technik sind Detailaufnahmen von Mond und Planeten sogar mit Dobsons möglich. Bei azimutal aufgestellten Teleskopen darf die Aufnahmezeit nicht länger als fünf Minuten sein, da sich ansonsten die Bildfeldrotation störend bemerkbar macht: Das Bild dreht sich um seinen Mittelpunkt, und Details werden verschmiert.

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Erstellung von Astrofotos aus einer Videosequenz

Zunächst wird mit Hilfe der Steuerungs-Software der Film in seine Einzelbilder zerlegt. Jetzt muss dem Programm mitgeteilt werden, wie viele Fotos bzw. wieviel Prozent der vorhandenen Frames zu einem Summenbild aufaddiert und gemittelt werden sollen.

Die Software geht hierbei vom technisch besten Frame aus und zieht die nächstbesten Bilder heran, bis die vorgegebene Anzahl erreicht ist. Als Qualitätskriterium wird die Dateigröße herangezogen: Je größer die Datei, umso besser ist der Frame, da mehr abzuspeichernde und schärfere Details eine größere Datei zur Folge haben. Eine Ausführliche Erörterung zur Frage der Quantifizierung der Bildqualität finden Sie im Artikel Bildschärfe.

Hierbei ergibt sich ein Dilemma: Da vom besten Frame ausgehend mehrere Bilder gemittelt werden, ist ein unberabeitetes, gemitteltes Rohbild immer von etwas schlechterer Schärfe und Auflösung als der beste Einzelframe. Werden aber weniger Frames überlagert, kann das Rauschen nicht so gut elimminiert werden wie mit vielen Frames. Der Grund hierfür wird unten besprochen. Man muss also einen Mittelweg zwischen beiden Lösungen finden.

Um die Frames bei der Addierung pixelgenau zu überlagern, muss der Software bei einem Bild ein deutliches, unverwechselbares Merkmal vorgegeben werden, das auf allen aufzuaddierenden Frames deutlich zu erkennen ist. Die Software sucht sich dieses Detail auf den Frames und überlagert sie. Je nach Software kann man diesem Prozess zusehen und sieht den Markierungsrahmen zwischen den Bildern springen.

Nachden die Bilder jetzt automatisch gemittelt werden, ist das Rohbild fertig und kann mit Bildverarbeitungssoftware weiterverarbeitet werden. Es empfielt sich die Abspeicherung des Rohbildes im TIF-Format, da dieses die Original-Bildinformation speichert. JPG führt eine Komprimierung durch, hierbei gehen Bildinformationen verloren.

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Reduzierung des Bildrauschens

Wir haben gesehen, dass durch die Addierung und Mittelung das Rohbild des Summenbildes unschärfer ist als das beste einzelne Rohbild. Hierbei drängt sich die Frage auf, wozu man dann mehrere Bilder, die geringfügig schlechter als der beste Frame sind, mittelt.

Der Grund liegt im Hintergrundrauschen des Sensors einer Webcam. Das Hintergrundrauschen, auch thermisches Rauschen genannt, ist ein Hintergrundsignal, das durch eine geringfügige Erwärmung des Sensors entsteht und durch eine, bei Webcams im Gegensatz zu CCD-Kameras nicht vorhandene, starke Kühlung des Sensors auf ein Minimum reduziert werden kann.

Dieses bei den relativ preiswerten Webcam-Sensoren starke Rauschen stellt ein ernstes Problem in der Astrofotografie dar: Das Rauschen äussert sich ein einem schmutzigen, braun-grauen, körnigen Hintergrund. Auch lichtschwache Bereiche innerhalb des Motivs, zum Beispiel Monddetails in Terminatornähe, erscheinen verrauscht. Dieses Rauschen verschlechtert das Bild, indem es es unansehnlich macht, ausserdem werden feine, lichtschwache Details durch das Rauschen geschluckt.

Das Rauschen ist eine statistische Erscheinung: Es sind über den Sensor zufällig verteilte Helligkeits- und Farbinformationen. Jeder Frame hat also ein anderes Rauschmuster. Im Gegensatz dazu sind echte, lichtschwache Mond- und Planetendetails immer exakt an der gleichen Stelle.

Helligkeits- und Farbinformationen, die an einer bestimmten Position auf dem Sensor nur in einem oder wenigen Frames erscheinen, sind also höchstwahrscheinlich Hintergrundrauschen und können bei der Bildaddition herausgerechnet werden ("mitteln"). Je mehr Frames man zur Verfügung hat, umso besser funktioniert dieses "Entrauschen". Das Ergebnis ist ein nahezu rauschfreies Bild, das heller ist als jeder einzelne Frame.

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Deep-Sky-Fotografie mit Webcams

In der Deep-Sky-Fotografie muss mehrere Minuten bis Stunden belichtet werden. Keine Webcam bietet eine solch lange Belichtungszeit, im günstigsten Fall werden etwa zehn Sekunden erreicht. Für längere Belichtungszeiten muss die Hardware der Webcam modifiziert werden. Man kann jedoch mit einem Trick länger belichtete Deep-Sky-Aufnahmem gewinnen:

Es werden zahlreiche Aufnahmen mit der maximal möglichen Belichtungszeit aufgenommen und wie oben erklärt aufaddiert und gemittelt. Auf diese Weise erhält man eine Aufnahme, die der einer einzelnen langbelichteten Fotografie sehr nahe kommt. Je nach Motiv und Rahmenbedingungen erzielt man gute bis sehr gute Ergebnisse. Das Objekt muss allerdings hell genug sein, damit es bei oben genannten Belichtungszeiten überhaupt vernünftig abgebildet werden kann. Webcams eignen sich daher nur für die hellsten Deep-Sky-Objekte. Wegen der kleinen Sensorfläche bedarf es in der Regel extrem kurze Brennweiten.

Im Deep-Sky-Bereich bedarf es bei diesen Belichtungszeiten einer exakten Nachführung der Optik.

Bei der Deep-Sky-Fotografie sind die "echten" CCD-Kameras und Spiegelreflexkameras den Webcams überlegen.

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Erstellung von Bildmosaiken

In vielen Fällen, insbesondere bei der Sonnen- und Mondfotografie, ist die Sensorgröße nicht ausreichend, um das Zielobjekt vollständig zu erfassen. Eine Möglichkeit ist die Verwendung extrem kurzer Brennweiten. Dies hat jedoch eine extrem geringe Auflösung zur Folge (der Vollmond hat dann maximal 480 Pixel Durchmesser). In der Astrofotografie mit Webcams wird deshalb häufig die Mosaiktechnik angewendet, um große Details oder den gesamten Himmelskörper abzudecken.

Hierfür werden zum Beispiel vom Mond zahlreiche Einzelvideos aufgenommen, bis der gesamte Mond oder die gewünschte Formation komplett abgedeckt ist. Aus diesen Einzelnen Frames werden wie gewohnt gemittelte Summenbilder erstellt. Diese Summenbilder werden per Software zu einem Bildmosaik zusammengestellt.

Bei der Erstellung von Einzelvideos für ein Mosaik ist darauf zu achten, dass stets eine Überlappung zu den Nachbarsequenzen vorhanden ist. Ansonsten ist eine Mosaikerstellung nicht möglich. Desweiteren muss die Helligkeit der Summenbilder annähernd gleich sein. Diese muss nach der Erstellung der Summenbilder mit einer Bildverarbeitungssoftware angeglichen werden.

Vorteile der Mosaiktechnik

Durch die Mosaiktechnik wird insgesamt eine Höhere Auflösung des Objektes erzielt, als wenn mit einem großen Sensor einer digitalen Spiegelreflexkamera eine Gesamtansicht des Mondes aufgenommen wird. Der Schärfe- und Auflösungsgewinn ist so gewaltig, dass zur Mosaikerstellung die Nominalbrennweite des Teleskops zum Teil verlängert wird, um mit mehr Detailaufnehmen, die zusammengesetzt werden, eine bessere Gesamtschärfe und -auflösung zu erzielen.

Eine Webcam hat keinen mechanischen Verschluss, der zum Beginn der Belichtung geöffnet wird, so dass diese Quelle für Verwackelungsunschärfe ausgeschaltet ist.

Nachteile der Mosaiktechnik

Durch die große Anzahl an Einzelvideos ist die Erstellung eines Mosaikes des gesamten Mondes oder der Sonne, insbesondere bei langbrennweitigen Teleskopen, sehr zeitaufwendig. Es kann bis zu fünf Stunden dauern, den Mond mit hoher Auflösung komplett abzudecken. Da sich in dieser Zeit die Beleuchtungsverhältnisse in der Terminatornähe des Mondes ändern können, sollte der Terminator zuerst abgedeckt werden.

Die erwähnten benötigten gleich großen Helligkeiten der einzelnen Summenbilder sind nur mit Übung und Fingerspitzengefühl zu realisieren. Der Prozess ist insgesamt sehr zeitintensiv.

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Bildverarbeitung

Auf die digitale Bildverarbeitung wird nur kurz und allgemein eingegangen. Es ist schwer, ein Patentrezept anzubieten, da jedes Bild anders ist und individuell nach Gefühl, Erfahrung und Geschmack bearbeitet werden muss. Bildbearbeitung sollte an einem qualitativ hochwertigen Monitor durchgeführt werden.

Zunächst sollte man Helligkeit und Kontrast des Bildes anpassen. Hiermit lassen sich Details deutlich herausarbeiten, und das Bild erscheint insgesamt ausgewogener.

Ein weiteres, sehr hilfreiches Tool ist die Schärfung. Hier werden Bilder nachträglich geschärft. Diese Funktion ist jedoch mit Vorsicht zu genießen, da eine "Überschärfung" das Foto unnatürlich wirken lässt und ggf. das Rauschen verstärkt herausgearbeitet wird.

Es versteht sich von selbst, dass auch die besten und ausgeklügelten Bildverarbeitungsmethoden nur Informationen herausarbeiten können, die auch im Bild vorhanden sind. Man kann also zum Beispiel ein durch schlechtes Seeing hoffnungslos unscharfes und flaues Foto nicht "gut rechnen". Die wichtigste Arbeit ist und bleibt die saubere Vorgehensweise bei der Aufnahme des/der Bilder. Nur bei technisch einwandfreien Fotos bringt die digitale Bildverarbeitung einen Gewinn an Schärfe, Kontrast und Details.

Ergänzender Artikel: Was ist Bildschärfe?

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